龍須草的研究動(dòng)態(tài)及開發(fā)利用價(jià)值

龍須草的研究動(dòng)態(tài)及開發(fā)利用價(jià)值

1增加栽培、提高土壤水分、增加農(nóng)民收入的途徑龍草是一種喜光喜光的山地野生植物。它是水稻科的一種多年生草本植物。它是一種耐寒、耐蔭的植物。它可以與許多經(jīng)濟(jì)樹種一起使用，而且可以在不同的土壤上生長(zhǎng)，尤其是在砂質(zhì)、堿性土壤、砂礫土和其他不良土壤上。種植龍須草能增加土壤貯水量,減少水土流失,提高土壤肥力,防沙治沙。龍須草易于種植,投資少,收效快,壽命長(zhǎng),第三年就可大見成效,若再配合科學(xué)管理,可持續(xù)生長(zhǎng)10年乃至30年,是一條增加貧瘠土壤地區(qū)農(nóng)民收入的良好途徑。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于龍須草的研究,主要集中在種植、制漿造紙和草編工藝品加工上,但將龍須草作為一種紡織纖維和制品的開發(fā)研究尚屬空白。本課題組自2004年10月開展了紡織用龍須草纖維的制取研究。龍須草纖維蘊(yùn)藏于龍須草葉內(nèi),屬葉纖維類,在不同生長(zhǎng)期,龍須草的含纖維素量相差很大。龍須草纖維和大麻纖維相似,屬于束纖維或稱工藝?yán)w維紡紗,龍須草纖維具有麻類纖維的優(yōu)缺點(diǎn),例如“強(qiáng)度高、伸長(zhǎng)小、回潮率大、吸濕放濕快、纖維粗硬、初始模量高”等。2龍須草學(xué)成分的定量分析按照GB5883-86《苧麻回潮率、含水率試樣方法》測(cè)定原料的回潮率與含水率(參見表1);按照GF35888-89《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》,對(duì)所選龍須草原料進(jìn)行化學(xué)成分定量分析(參見表2)。從表1可知,龍須草的回潮率平均值為6.99%,含水率平均值為8.74%。因試驗(yàn)用的龍須草為當(dāng)年收割,其含水量稍微偏高。在龍須草中,纖維素含量與棕葉、劍麻、桑皮中的纖維素含量相當(dāng),但是龍須草中所含木質(zhì)素的比例最大(參見表2),所以如何去除木質(zhì)素就成為制取龍須草纖維的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。由于龍須草的單纖維較短,脫膠后纖維以工藝?yán)w維的狀態(tài)存在,因此既要達(dá)到脫膠的目的,使纖維松散、柔軟,保持較高的強(qiáng)力;又要保留一定量的膠質(zhì),使纖維有適合后道紡紗的長(zhǎng)度,這是本課題要解決的主要問題。3實(shí)驗(yàn)部分3.1實(shí)驗(yàn)原材料本課題所選原料來自于山東威海自然生長(zhǎng)的龍須草,收割期為10月初,此時(shí)收割的龍須草呈青綠色,自然晾曬后為本課題的原料。3.2龍須草纖維化學(xué)脫膠工藝參數(shù)的單因子試驗(yàn)結(jié)果龍須草纖維的化學(xué)脫膠工藝流程:試樣準(zhǔn)備→浸酸→水洗→煮練→水洗→打纖→酸洗→水洗→抖松→脫水→給油→脫水→烘干;采用“三因子二次通用旋轉(zhuǎn)組合”設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),測(cè)試各個(gè)考察指標(biāo)并對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)變換;從紡紗角度出發(fā),確定脫膠后的龍須草纖維測(cè)試指標(biāo),分別為殘膠率、斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)、細(xì)度及長(zhǎng)度。通過對(duì)煮練中氫氧化鈉濃度和堿煮時(shí)間分別進(jìn)行單因子實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)龍須草纖維的堿煮與殘膠率之間的關(guān)系變化,基本上與麻類化學(xué)脫膠相符。結(jié)合單因子試驗(yàn)結(jié)果,綜合考慮龍須草纖維化學(xué)脫膠中具體參數(shù)的變化,確定煮練工藝為:氫氧化鈉濃度范圍:8～12g/L,堿煮時(shí)間范圍:40～80min。根據(jù)三因子二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)的要求,排出三因子二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)結(jié)果矩陣表(參見表3),按此表中所述條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析經(jīng)過異常值的檢驗(yàn)與剔除,各方案內(nèi)和方案間指標(biāo)數(shù)據(jù)均在一定程度上滿足正態(tài)性分布,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析見表4～表8。4結(jié)果與討論4.1堿液濃度對(duì)纖維殘膠率的影響由圖1可知,在討論范圍內(nèi),殘膠率隨著氫氧化鈉濃度和堿煮時(shí)間的增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。這是由于龍須草中的膠質(zhì)成分受到堿的作用,被進(jìn)一步溶解,同時(shí)在一定范圍內(nèi),隨著堿液濃度的增加,反應(yīng)趨于激烈,膠質(zhì)含量減少速度也隨之變快。隨著堿煮時(shí)間的增加,殘膠率降低變快,但當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí),變化就不再顯著,說明纖維上膠質(zhì)的溶解與吸附已經(jīng)逐漸達(dá)到了平衡。由圖2可見,在討論范圍內(nèi),隨著多聚磷酸鈉用量的增大,纖維殘膠率總的趨勢(shì)是逐漸降低的,雖然由于存在一定誤差,趨勢(shì)并不是太明顯。這是由于多聚磷酸鈉具有很強(qiáng)的滲透能力和分散作用,能把已經(jīng)脫除了、但還未能及時(shí)溶解在溶液中的溶膠粒子快速分散在煮練液中,從而加快膠質(zhì)的分解與溶出。4.2纖維斷裂強(qiáng)力高由圖3和圖4可以看出,隨著氫氧化鈉濃度的增加和堿煮時(shí)間的延長(zhǎng),纖維斷裂強(qiáng)力的變化,有一個(gè)“先上升、后下降”的過程。在最初的時(shí)候,纖維的斷裂強(qiáng)力很大,但同時(shí)由于“纖維的膠質(zhì)去除少、纖維束較粗”等原因,導(dǎo)致斷裂強(qiáng)力高;隨著氫氧化鈉濃度和堿煮時(shí)間的變化,纖維細(xì)度在降低,纖維的斷裂強(qiáng)力也在降低,當(dāng)達(dá)到某一區(qū)域時(shí),斷裂強(qiáng)力下降很快,這是由于隨著氫氧化鈉濃度的增大和堿煮時(shí)間的延長(zhǎng),纖維損傷嚴(yán)重,斷裂強(qiáng)力急劇下降。另外,隨著多聚磷酸鈉用量增加,斷裂強(qiáng)力也有一個(gè)“先上升、后下降”的變化過程。這是由于多聚磷酸鈉在加快膠質(zhì)溶解的過程中,對(duì)斷裂強(qiáng)力有與氫氧化鈉和堿煮時(shí)間相類似的影響。4.3氧化鈉濃度和堿煮時(shí)間對(duì)纖維細(xì)度的影響由圖5和圖6可以看出,在討論范圍內(nèi),在綜合氫氧化鈉濃度和堿煮時(shí)間的共同作用下,隨著氫氧化鈉濃度和堿煮時(shí)間的增加,纖維的細(xì)度變小。但是,隨著堿煮時(shí)間的延長(zhǎng),纖維細(xì)度又開始有緩慢增加的趨勢(shì)。分析認(rèn)為,隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),溶液中溶解的膠質(zhì)變多,當(dāng)溶液中的膠質(zhì)達(dá)到一定程度時(shí),膠質(zhì)開始凝聚,并重新吸附到纖維表面,從而導(dǎo)致纖維的細(xì)度又開始有上升的趨勢(shì)。4.4纖維的長(zhǎng)度由圖7和圖8可知,隨著氫氧化鈉濃度增加和堿煮時(shí)間的延長(zhǎng),纖維的長(zhǎng)度呈下降的趨勢(shì)。這是由于隨著纖維脫膠的程度的加深,工藝?yán)w維開始逐步解體,同時(shí)有部分單纖維出現(xiàn),因此纖維的整體長(zhǎng)度下降。4.5確定目標(biāo)函數(shù)本實(shí)驗(yàn)的主要目的,是研究龍須草纖維的脫膠工藝,進(jìn)而探討其紡紗的可能性。在紡紗時(shí),纖維的強(qiáng)度和細(xì)度是主要的工藝參數(shù)。因此,在對(duì)脫膠工藝進(jìn)行優(yōu)化時(shí),應(yīng)選取脫膠后纖維的斷裂強(qiáng)力和細(xì)度作為主要考察指標(biāo),殘膠率、斷裂伸長(zhǎng)、纖維長(zhǎng)度作為約束條件。綜合考慮,參照多目標(biāo)函數(shù)的目標(biāo)規(guī)劃方法,確定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為:f1(x)=y細(xì)度,f2(x)=y強(qiáng)力,其它三個(gè)方程為約束函數(shù)。采用的優(yōu)化方法為隨機(jī)方向搜索法,其具體的方法步驟參見有關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)教材和參考資料。經(jīng)解碼得到的最優(yōu)工藝參數(shù)為:Z=[z1,z2,z3],T=[9.0564,63.3092,5.9703],即各因子的工藝參數(shù)為:氫氧化鈉濃度9.0564g/L,堿煮時(shí)間63.3092min,多聚磷酸鈉用量5.9703%。由最優(yōu)工藝參數(shù)所進(jìn)行的各考察目標(biāo)函數(shù)的預(yù)測(cè)值為:殘膠率13.126%,斷裂強(qiáng)力70.65cN,斷裂伸長(zhǎng)5.24%,纖維細(xì)度4.34tex,纖維長(zhǎng)度13.16cm。5龍須草原料的性能為了驗(yàn)證本課題所確定的龍須草脫膠工藝方案的有效性,最后進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所采用的龍須草原料,與前面實(shí)驗(yàn)所使用的原料為同一批,脫膠過程的操作方法和要求與前面相同。經(jīng)最優(yōu)工藝處理龍須草原料后,所得到的精干纖維的主要品質(zhì)指標(biāo)見表9。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,在最優(yōu)化條件下,龍須草脫膠纖維的綜合性能達(dá)到最佳。6多聚磷酸鈉脫膠工藝試驗(yàn)結(jié)果通過實(shí)驗(yàn)研究,得到適合紡織行業(yè)使用的龍須草纖維,具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果如下:(1)根據(jù)苧麻的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),得到龍須草纖維的回潮率為6.99%,含水率為8.74%。(2)龍須草纖維纖維素含量為45.10%,